CN112780411A - 燃气轮机水汽混合动力系统、水汽发生组件、航空器及动力提供方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机水汽混合动力系统、水汽发生组件、航空器及动力提供方法，其中，所述混合动力系统包括燃气轮机组件，包括压气机、燃烧室以及涡轮；以及水汽发生组件，包括储水件、入口、汽化室，所述汽化室邻接所述燃烧室，所述汽化室的下游端连通所述涡轮的涡轮导向器；其中，于所述入口加压喷射水至所述汽化室，所述入口喷射的所述水来自所述储水件经第一管路输送；所述水在所述汽化室内受到所述燃烧室传递的热而汽化，使得所述水的体积膨胀形成膨胀水汽，与在所述燃烧室发生燃烧反应产生的燃气经过涡轮导向器而输出至所述涡轮。上述燃气轮机水汽混合动力系统具有燃油经济性好、部件的耐热要求低等优点。

Description

燃气轮机水汽混合动力系统、水汽发生组件、航空器及动力提 供方法

技术领域

本发明涉及能源动力领域，尤其涉及一种燃气轮机水汽混合动力系统、水汽发生组件、航空器及动力提供方法。

背景技术

航空动力装置涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科，其温度、压力、应力、转速、振动、间隙和腐蚀等工作条件远比飞机其他分系统复杂和苛刻，而且对性能、重量、适用性、可靠性、耐久性和环境特性等又有极高的要求。因此，传统的研制过程是一个设计、制造、试验、修改设计的多次迭代过程。

传统的航空动力系统如图1所示，即燃气轮机动力系统10，包括风扇100、压气机200、燃烧室300、以及涡轮400，空气经过风扇100、压气机200后进入燃烧室300，与经过燃油喷嘴喷入燃烧室300的燃油发生燃烧反应，反应后产生的燃气经过推动涡轮400做功输出动力。压气机200包括低压压气机以及高压压气机，涡轮400包括低压涡轮以及高压涡轮，低压压气机共轴耦接低压涡轮，高压压气机共轴耦接高压涡轮。燃气轮机动力系统10的核心部件之一为即燃烧室300。燃烧室300的结构可以参考图2所示，燃烧室300包括扩压器出口301、燃油喷嘴302、火焰筒303、外环机匣304以及燃烧室外环腔305、内环机匣306以及燃烧室内环腔307，空气经过压气机组200后由扩压器出口301进入燃烧室300，大部分空气从燃烧室头部进入火焰筒303，部分空气分别从燃烧室外环腔305、燃烧室内环腔307进入火焰筒303，燃料通过燃油喷嘴302喷射，燃料与空气在火焰筒303内发生燃烧反应产生燃气，燃气经过涡轮导向器308导至涡轮，推动涡轮做功输出动力。燃烧室的燃料一般为航空煤油，煤油燃烧无法回避污染、排放问题，即环境污染问题十分突出，尤其是民用航空发动机污染和排放指标如果不达标将无法取得适航证。随着相关技术手段的进步，现有的民用航空发动机在性能指标上已经有了显著的进步，例如耗油率和污染物排放指标相比此前有了较大幅度的降低。但是，另一方面而言，随着国际社会和民航组织对民用航空发动机在经济性和环保性上越来越高的要求，燃油经济性问题，不仅关系到航空公司的运营成本，也涉及排放法规中关于碳排放量的规定，因此如何使航空发动机满足日益增长的高性能指标要求，仍是一项长期面临的重要问题。

目前而言，虽然增加发动机压比和燃烧室出口温度可以提高整机的热效率从而降低耗油率，但是受限于设计水平、加工水平、材料能力和冷却技术的水平，现有航空发动机的涡轮前温度已接近安全使用的耐热性能的极限值，很难有明显程度的提高。并且需要设计复杂的特殊的防护涂层以及气膜冷却结构用于冷却火焰筒壁面，防止其在燃烧过程中过热发生烧蚀，延长火焰筒的使用寿命。

因此，本领域需要一种燃气轮机水汽混合动力系统、水汽发生组件、航空器及动力提供方法，以提高动力系统的燃油经济性，以及降低燃烧室部件对于材料耐热性的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃气轮机水汽混合动力系统。

本发明的目的还在于提供一种水汽发生组件。

本发明的目的还在于提供一种航空器。

本发明的目的还在于提供一种动力提供方法。

根据本发明一方面的燃气轮机水汽混合动力系统，包括燃气轮机组件，包括压气机、燃烧室以及涡轮；水汽发生组件，包括储水件、入口、汽化室，所述汽化室邻接所述燃烧室，所述汽化室的下游端连通所述涡轮的涡轮导向器；其中，于所述入口加压喷射水至所述汽化室，所述入口喷射的所述水来自所述储水件经第一管路输送；所述水在所述汽化室内受到所述燃烧室传递的热而汽化，使得所述水的体积膨胀形成膨胀水汽，所述膨胀水汽与在所述燃烧室发生燃烧反应产生的燃气经过所述涡轮的涡轮导向器而输出至所述涡轮，推动所述涡轮做功输出动力。

在一个或多个实施例中，所述汽化室于所述燃烧室的内环腔被所述燃烧室的内环腔包围邻接所述燃烧室，和/或于所述燃烧室的外环腔包围所述燃烧室的外环腔邻接所述燃烧室。

在一个或多个实施例中，所述汽化室的上游端与所述燃烧室的扩压器出口相邻。

在一个或多个实施例中，所述水汽发生组件包括有喷嘴，所述喷嘴设置于所述入口，所述喷嘴耦接有高压共轨件，使得从所述入口喷射的所述水至少有部分为高压水雾。

在一个或多个实施例中，所述喷嘴的轴向位置靠近所述汽化室的上游端。

根据本发明一方面的水汽发生组件，适用于以上任意一项所述的燃气轮机水汽混合动力系统。

根据本发明一方面的航空器，包括以上任意一项所述的燃气轮机水汽混合动力系统。

根据本发明一方面的动力提供方法，包括

步骤S1：设置燃烧室，在燃烧室的火焰筒内进行燃烧反应；

步骤S2：设置汽化室，汽化室吸收燃烧室的热量，喷射水至汽化室内，利用所述热量汽化所述水，所述水的体积膨胀形成膨胀水汽；

步骤S3：将膨胀水汽以及燃烧反应产生的燃气导入至涡轮，做功推动涡轮旋转提供动力。

在一个或多个实施中，在所述步骤S2中，所述喷射水包括喷射高压水雾。

本发明的有益效果包括但不限于：

1.利用水汽发生组件的水气化膨胀做功对燃气轮机提供部分动力，减小了燃烧室的供油量，降低了油耗以及污染，相对于传统的燃气轮机动力系统而言，提升了动力系统的燃油经济性；

2.汽化室的热源为燃烧室的热，对燃烧室起到一定冷却作用，改善了燃烧室的工作环境，从而降低了对于燃烧室的高温部件的耐热性要求，降低了动力系统的材料成本，通过膨胀水汽推动涡轮旋转输出部分动力，也降低了对涡轮的耐热性要求。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为燃气轮机动力系统的结构示意图。

图2为燃气轮机动力系统的燃烧室结构示意图。

图3为根据一个或多个实施例的燃气轮机水汽混合动力系统的方框示意图。

图4为根据一实施例的水汽发生组件的结构示意图。

图5为根据另一实施例的水汽发生组件的结构示意图。

图6为根据又一实施例的水汽发生组件的结构示意图。

图7为根据一实施例的水汽发生组件的高压喷射的示意图。

图8为根据一个或多个实施例的动力提供方法的流程图。

部分附图标记：

1-燃气轮机水汽混合动力系统

300-燃烧室

301-扩压器出口

303-火焰筒

305-燃烧室外环腔

307-燃烧室内环腔

12-水汽发生组件

121-储水件

122-入口

123-汽化室

127-喷嘴

128-高压共轨件

31-水

311-高压水雾

32-膨胀水汽

33-燃气

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

需要注意的是，下述实施例的上游、下游是以燃烧室的轴向为基准的相对位置。

如图3至图7所示，在一实施例中，燃气轮机水汽混合动力系统1包括燃气轮机组件以及水汽发生组件12。燃气轮机组件的结构可以参考图1以及图2所示，包括压气机组200、燃烧室300以及涡轮400，燃烧室300的具体结构如图2所示，其运行原理可以参考上述背景技术部分的描述，此处不再赘述。水汽发生组件12包括储水件121、入口122、汽化室123。汽化室123邻接燃烧室300，汽化室123的下游端124连通涡轮的涡轮导向器308。于入口122加压喷射水31至汽化室123，入口122喷射的水31来自储水件121经第一管路126输送；水31在汽化室123内受到燃烧室300传递的热而汽化，绝大部分是火焰筒303发生燃烧反应放出的热量，也有小部分为经过压气机组200的压缩空气的流经汽化室123的壁面的对流传热，气化的水31体积膨胀形成膨胀水汽32，膨胀水汽32与燃烧室发生燃烧反应产生的燃气33经过涡轮的涡轮导向器308而输出至涡轮，推动所述涡轮做功输出动力。如此设置的有益效果在于，将水31加压喷射进汽化室123中，并吸收燃烧室的热传递的热而气化膨胀做功，由于单位质量内水的体积是水蒸汽的1600倍左右，有限体积的汽化室123内水31的体积迅速膨胀，引起压力的激增，经过导向器308的导向输出至涡轮，以提供部分动力推动涡轮旋转做功。由于水气化膨胀做功提供了部分动力，减小了燃烧室的供油量，降低了油耗以及污染，相对于传统的燃气轮机动力系统而言，提升了动力系统的燃油经济性。同时，由于汽化室123的热源为燃烧室300的放热，因此汽化室123还对燃烧室300起到一定冷却作用，改善了燃烧室300的工作环境，从而降低了对于燃烧室300的高温部件的耐热性要求，降低了动力系统的材料成本，也降低了对涡轮的耐热性要求。

参考图4，在一实施例中，汽化室123邻接燃烧室300的具体结构可以是，汽化室123包围燃烧室外环腔305。参考图5，在一实施例中，汽化室123邻接燃烧室300的具体结构还可以是，汽化室123被内环腔307包围。参考图6，在一实施例中，汽化室123邻接燃烧室300的具体结构还可以是，第一汽化室1230包围燃烧室外环腔305，以及第二汽化室1231被内环腔307包围。采用汽化室123与燃烧室300的环腔包围和/或者被包围的结构的有益效果在于，增大汽化室与燃烧室的热交换面积，使得汽化室与燃烧室充分热交换，增强汽化室对于喷射的水的气化作用以及对燃烧室的冷却作用。

继续参考图4至图6，在一些实施例中，汽化室的具体结构可以是，汽化室123的上游端与燃烧室300的扩压器出口301相邻，由于汽化室123的下游端124连通涡轮的涡轮导向器308，因此汽化室123的轴向长度与燃烧室的轴向长度接近，充分吸收燃烧室的热量，增强对水的气化作用以及对燃烧室的冷却作用。

参考图7，在一实施例中，于入口122加压喷射水31至汽化室123的具体结构可以是，水汽发生组件12包括有喷嘴127，喷嘴127设置于入口122，喷嘴127耦接有高压共轨件128，使得从入口122喷射的水31至少有部分为高压水雾311，高压共轨件128可以是类似于现有技术中燃油喷射系统的高压共轨件，例如通过高压泵将水输送至公共供水管路内，通过公共供水管内的压力实现喷射的水31的压力的精确控制，但不以此为限。采用高压共轨件128的有益效果在于，持续对喷射的水31加压，进一步提高了喷射入汽化室123的水31的雾化程度，增大了水31的总受热面积，加速水31气化为水蒸气，体积膨胀的过程。

参考图4至图6，在一些实施例中，喷嘴127的具体位置可以是，喷嘴127的轴向位置靠近汽化室123的上游端125。如此可以使得喷入的水31在汽化室123内的流动长度接近汽化室的轴向长度，使其充分受热。

可以理解到，上述的燃气轮机水汽混合动力系统1与图1、图2所示的燃气轮机动力系统10类似，均可以用于航空器，例如民航飞机，如此可以达到提高飞行的经济性，满足碳排放法规的有益效果。

参考图8，从上述实施例介绍可知，一种动力提供方法可以是：

步骤S1：设置燃烧室，在燃烧室的火焰筒内进行燃烧反应；

步骤S2：设置汽化室，汽化室吸收燃烧室的热量，喷射水至汽化室内，利用所述热量汽化所述水，所述水的体积膨胀形成膨胀水汽；例如可以通过高压共轨的喷嘴对水进行喷射，喷射水为喷射高压水雾；吸收燃烧室300的火焰筒303发生燃烧反应产生的热量，气化水形成膨胀水汽；

步骤S3：将膨胀水汽以及燃烧反应产生的燃气导入至涡轮，做功推动涡轮旋转提供动力。

综上，采用以上实施例的燃气轮机水汽混合动力系统、水汽发生组件、航空器及动力提供方法的有益效果包括但不限于：

1.利用水汽发生组件的水气化膨胀做功对燃气轮机提供部分动力，减小了燃烧室的供油量，降低了油耗以及污染，相对于传统的燃气轮机动力系统而言，提升了动力系统的燃油经济性；

2.汽化室的热源为燃烧室的放热，对燃烧室起到一定冷却作用，改善了燃烧室的工作环境，从而降低了对于燃烧室等高温部件的耐热性要求，降低了动力系统的材料成本，通过膨胀水汽推动涡轮旋转输出部分动力，也降低了对涡轮的耐热性要求。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃气轮机水汽混合动力系统，其特征在于，包括：

燃气轮机组件，包括压气机、燃烧室以及涡轮；以及

水汽发生组件，包括储水件、入口、汽化室，所述汽化室邻接所述燃烧室，所述汽化室的下游端连通所述涡轮的涡轮导向器；其中，于所述入口加压喷射水至所述汽化室，所述入口喷射的所述水来自所述储水件经第一管路输送；所述水在所述汽化室内受到所述燃烧室传递的热而汽化，使得所述水的体积膨胀形成膨胀水汽，所述膨胀水汽与在所述燃烧室发生燃烧反应产生的燃气经过所述涡轮的涡轮导向器而输出至所述涡轮，推动所述涡轮做功输出动力。

2.如权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述汽化室于所述燃烧室的内环腔被所述燃烧室的内环腔包围邻接所述燃烧室，和/或于所述燃烧室的外环腔包围所述燃烧室的外环腔邻接所述燃烧室。

3.如权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述汽化室的上游端与所述燃烧室的扩压器出口相邻。

4.如权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述水汽发生组件包括有喷嘴，所述喷嘴设置于所述入口，所述喷嘴耦接有高压共轨件，使得从所述入口喷射的所述水至少有部分为高压水雾。

5.如权利要求4所述的混合动力系统，其特征在于，所述喷嘴的轴向位置靠近所述汽化室的上游端。

6.一种航空器，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项所述的燃气轮机水汽混合动力系统。

7.一种水汽发生组件，其特征在于，适用于如权利要求1-5任意一项所述的燃气轮机水汽混合动力系统。

8.一种动力提供方法，其特征在于，包括：

步骤S1：设置燃烧室，在燃烧室的火焰筒内进行燃烧反应；

步骤S2：设置汽化室，汽化室吸收燃烧室的热量，喷射水至汽化室内，利用所述热量汽化所述水，所述水的体积膨胀形成膨胀水汽；

步骤S3：将膨胀水汽以及燃烧反应产生的燃气导入至涡轮，做功推动涡轮旋转提供动力。

9.如权利要求8所述的动力提供方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述喷射水包括喷射高压水雾。

Images